軟土地區鄰近鐵路高壓旋噴樁施工室內模型試驗研究

李世鑫 孫春輝 周星宇 張帥張建經汪洋

1.中電建路橋集團有限公司，北京100048；2.西南石油大學地球科學與技術學院，成都610500；3.西南交通大學土木工程學院，成都610031

自20世紀70年代日本發明單管噴射注漿法以來，各種噴射注漿新工法不斷涌現，應用領域不斷擴大［1］。高壓旋噴成樁過程中，大量高壓水泥漿持續注入土中產生較大的膨脹作用，這種膨脹作用勢必會使周邊一定區域內土體產生變形。當施工區處于鐵路附近尤其是在鐵路橋墩周邊時，高壓旋噴樁施工過程中產生的高壓射流將對周圍橋墩產生一定的擾動，如有不慎將引發工程事故［2-3］。因此有必要對旋噴樁施工過程中漿液流動規律進行系統研究。

文獻［4］建立了二維高壓旋噴樁注漿模型，分析在高壓旋噴樁施工過程中樁間距、樁體彈性模量、填土高度等對地基加固效果的影響。文獻［5-8］根據圓孔擴張理論，考慮到施工時的土層參數及旋噴參數，提出了二維平面條件下高壓旋噴樁施工引起地表變形的分析方法。文獻［9-10］在分析高壓噴射注漿法地基加固機理的基礎上，引入面積置換率的概念，依據土的彈塑性力學和文獻［11］圓孔擴張理論，推導了高壓旋噴樁施工中土體應力增量的理論計算公式，并得到高壓旋噴樁成樁時的超孔隙水壓力理論計算公式。

本文采用自主研發的高壓旋噴注漿模擬設備開展軟土中高壓旋噴注漿試驗，分析不同注漿壓力下土體超靜孔隙水壓力的變化以及鐵路橋墩的位移，以獲得高壓旋噴注漿過程中土體變形規律，為類似軟土中高壓旋噴注漿工程提供參考。

1 試驗方法與試驗系統

1.1 高壓旋噴注漿系統

為研究軟土中高壓旋噴注漿對周邊鐵路橋墩的影響，自主設計研發了一套室內高壓旋噴注漿裝置。該裝置主要包括增壓裝置、儲泥裝置、注漿裝置三部分。試驗裝置各模塊見圖1。

增壓裝置主要由空氣泵組成，可以提供穩定的注漿壓力。儲泥裝置主要由儲泥罐、壓力表、注漿口、球閥、出漿口、通氣孔組成。注漿口、通氣孔、壓力表在儲泥罐頂部，注漿口蓋板由四根螺栓固定且拆卸方便，通氣孔可以快速釋放儲泥裝置中殘余壓力，壓力表可以觀測儲泥罐中壓力變化，出漿口設置在儲泥罐底部，在罐中壓力值達到預定值時，打開球閥，高壓水泥漿可以從儲泥罐以高壓形式流出。注漿裝置由旋轉電機、提升電機、控制模塊、噴漿桿、高壓軟管組成。旋轉電機與提升電機可以分別提供旋轉動力，提升動力使噴漿桿勻速轉動和提升，控制模塊控制旋轉電機和提升電機的轉速。

噴漿桿與高壓軟管通過軸承連接，噴漿桿底部開有兩孔，孔徑3 mm，高壓水泥漿可以從噴孔以高壓形式噴出。注漿設備的具體參數見表1。

1.2 試驗過程

試驗用土為重塑現場的原狀土，在試驗之前須要將土樣進行浸泡，在軟化的同時增大其含水率，軟土浸泡的過程中須要定期進行攪拌，并補充水分，浸泡時間約30 d，見圖2。在進行土樣填筑之前對土樣進行含水率測試，待其含水率達到飽和狀態時，將土體充分攪拌之后靜置5 h方可進行填筑。試驗所采用的模型箱長、寬、高各1 m。根據現有的研究成果模型箱邊界對試驗的影響可以忽略不計［12-13］，因此本次試驗不考慮模型箱邊界對試驗的影響。在填筑土樣過程中每填筑5 cm要對土樣進行一次壓實，填筑至孔隙水壓力計預放位置時，將孔隙水壓力計按照使用手冊放置在相應的位置。考慮到高速鐵路橋墩可以承受較大的豎向荷載而不能承受較大側向荷載，故采用鋼筋搭接的方式模擬高速鐵路橋墩。

試驗所填筑土體高度為0.8 m，土體填筑完成后靜置24 h，之后在試驗土體上放置木板，在木板上放置砝碼等重物進行堆載，堆載的載荷約為3～5 kPa。在堆載過程中利用百分表對土體沉降進行監測，待其沉降穩定后，卸除上覆堆載物靜置3 h后測量不排水抗剪強度并進行注漿試驗。

2 單樁注漿試驗

單樁試驗共使用孔隙水壓力計7個，布置在距注漿孔中心20、30 cm的橫斷面上。各傳感器（K1～K6）間距30 cm，傳感器K1、K2、K3上覆土20 cm，傳感器K4、K5、K6上覆土50 cm，距離模型箱底部30 cm，傳感器K7布置在距離注漿孔20 cm斷面，K7上覆土50 cm，下部土體高度30 cm，距離模型側邊50 cm。孔隙水壓力計的具體布置如圖3所示。為測量鐵路橋墩產生的位移，采用激光位移計對橋墩橫橋向、順橋向、豎橋向的位移進行測量。

單樁注漿長度為70 cm，注漿壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa，鉆桿轉速20 r∕min，提升速度6 cm∕min。

3 試驗結果分析

在堆載結束后利用便攜式十字板剪切儀對模型箱中填筑軟土進行不排水抗剪強度測試，結果見圖4。可知，模型所填土不排水抗剪強度較低，具有觸變性、流變性、高壓縮性、低強度、低透水性、不均勻性等特點，在外加荷載作用下，極易出現剪切破壞，產生較大的沉降。

圖4 不排水抗剪強度變化

在注漿試驗過程中統計了不同注漿壓力下超靜孔隙水壓力、鐵路橋墩的位移，見圖5、圖6。

圖5 不同注漿壓力下土體超靜孔隙水壓力

圖6 不同注漿壓力下鐵路橋墩位移

由圖5可知：在注漿過程中試驗的前11 min左右，超靜孔隙水壓力隨著注漿的進行不斷增大，在注漿結束后超靜孔隙水壓力開始逸散。在注漿過程中隨著深度的增大，在高壓旋噴樁施工過程中所產生的超靜孔隙水壓力也逐漸增大，且埋深越大超靜孔隙水壓力增大的幅度也越大。在同一埋深，隨著距高壓旋噴樁距離的增大，土體中的超靜孔隙水壓力減小。注漿壓力0.2、0.3、0.4 MPa時，土體超靜孔隙水壓力最大值分別為1.75、1.93、2.25 kPa。

由圖6可知：在單樁注漿過程中高壓旋噴樁施工過程對鐵路橋墩的影響主要發生在橫橋向和豎橋向，在注漿過程中由于土體受到漿液產生的膨脹作用以及噴桿旋轉所產生的剪切力產生變形，繼而導致鐵路橋墩產生偏移，而橋墩所產生的位移大小又與樁的布置方式有關，因而在單樁施工時會呈現在在橫橋向和豎橋向位移較大，而在注漿完成后由于土體產生回彈，會導致鐵路橋墩位移有一定的回彈。注漿壓力0.2、0.3、0.4 MPa時，鐵路橋墩最大位移分別為0.37、0.70、0.89 mm。

4 結論

1）在注漿過程中土體超靜孔隙水壓力隨深度的增加而逐漸增大，且增大的速率也隨深度的增大而增大，在注漿結束以后超靜孔隙水壓力由于裂縫閉合會逐漸逸散。

2）單樁注漿過程中高壓旋噴樁施工過程中對土體位移的影響主要發生橫橋向、豎橋向，在注漿完成后由于土體回彈，鐵路橋墩位移也會產生一定回彈。

3）高壓旋噴樁施工過程中對土體所產生的擠土效應以及對鐵路橋墩的影響是一個復雜的累加過程，在獲得單樁監測數據后可以進行簡單的累加以預估群樁施工對橋墩的影響，進而采取相應措施以降低施工對鐵路安全運營的影響。